1. Introducción al procesamiento de imágenes (c) Domingo Mery

D.Mery: Procesamiento de Imágenes 1

Fundamentos de Procesamiento de ImágenesICC / IEE 3713

Capítulo 1: Introducción

Domingo Mery

Departamento de Ciencia de la ComputaciónUniversidad Católica de Chile

Semestre 2008-2

Incluye transparencias elaboradas por Marcelo GuariniDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad Católica de ChileSemestre 2008-1

D.Mery: Aplicaciones de Visión por Computador 2

índice

Introducción

Luz, espectro y percepción visual

Adquisición de imágenes


Procesamiento de imágenes:

[+] Proceso mediante el cual se toma una imagen y se produce una versión modificada de esta imagen.

[ Introducción: Definiciones ]


Análisis de imágenes:

[+] Proceso mediante el cual a partir de una imagen se obtiene una medición, interpretación o decisión.

La pieza tiene 7 fallas



Reconocimiento de patrones:

[+] Asignación de objetos (patrones) a diferentes clases a partir de mediciones de los objetos.

RITMO CARDIACO = 165 ppm

EDAD = 45 años

SEXO = F

ALERTA = ON



Computación gráfica:

[+] Generación computacional de imágenes a partir de modelos.



[+] Ciencia que desarrolla las bases teóricas y algorítmicas para obtener información sobre el mundo real a partir de una o varias imágenes.

HARALICK, 1992

[+] Disciplina que desarrolla sistemas capaces de interpretar el contenido de escenas naturales. CASTLEMAN, 1996

[+] Hacer que un computador vea. Esto, sin embargo, es todavía un problema no resuelto... Computer Vision ha emergido como una disciplina propia basada principalmente en las matemáticas y ciencias de la computación.

FAUGERAS, 2001

Visión por Computador:



Adquisiciónde

imagen

• Fotografía • Rayos X• Termografía

objeto

• Restauración• Filtros• Segmentación

• Extracción de características• Selección de características• Detección• Clasificación• Mediciones• Interpretación

Procesamientode

imágenes

Análisisde

imágenes

Sistema de Visión por Computador:



objeto

• Matching• Tracking• Reconstrucción 3D• (Calibración)

Adquisiciónde

imagen

• Fotografía • Rayos X• Termografía

• Restauración• Filtros• Segmentación

• Extracción de características• Selección de características• Detección• Clasificación• Mediciones• Interpretación

Procesamientode

imágenes

Análisisde

imágenes

Análisismulti-vista Resultado

Sistema de Visión por Computador:



Adquisiciónde imágenes

Preprocesa-miento

Representacióny descripciónSegmentación

Reconocimientoe

interpretación

[ Introducción: Diagrama Conceptual de Análisis de Imágenes ]

Base de Conocimiento


•Consideremos un contínuo desde el procesamiento digital de imágenes hasta la visión por computador

•No existe un acuerdo general entre los autores respecto de donde se ubica la división entre el procesamiento de imágenes y las otras áreas relacionadas, como análisis de imagenes y visión por computador.

•A veces, el procesamiento digital de imágenes, se define como una disciplina en la cual tanto la entrada como la salida del proceso es una imagen (Definición limitante)

•Por otra parte, en el otro extremo, la visión por computador pretende emular el sistema de visión humano, incluyendo aprendizaje, capacidad de inferir y de tomar acciones en base al “input” visual. (Inteligencia artificial)

[ ¿Qué es procesamiento digital de imágenes? ]


• No existe un límite claro en el contínuo desde el procesamiento de imágenes por un extremo, hasta la visión por computador en el el otro.

• Un paradigma útil sin embargo es considerar tres tipos de procesamientos computacionales a través de este contínuo: bajo-nivel, nivel-medio y alto-nivel.

• El procesamiento de bajo-nivel considera operaciones primitivas, como preprocesamiento para reducir ruido, realzar el contraste y mejorar la nitidez. Se caracteriza por el hecho de que tanto la entrada como la salida son imágenes.

• El procesamiento de nivel medio considera tareas como segmentación, caracterización y clasificación (reconocimiento) de objetos individuales.

• El procesamiento de alto nivel considera “hacer sentido” de un conjunto de objetos reconocidos, como en el análisis de imágenes, y en el extremo del contínuo efectuar funciones cognitivas, normalmente asociadas con la visión.



[ Componentes de un sistema de procesamiento de imágenes ]


• Una imagen puede considerarse como una función donde x e y son las coordenadas espaciales del plano de la imagen y la amplitud de f para cualquier par de coordenadas recibe el nombre de intensidad o nivel de gris de la imagen en ese punto.

• Cuando tanto x e y como f son cantidades discretas y finitas, la imagen recibe el nombre de imagen digital.

• Cada elemento de una imagen digital recibe el nombre de pixel

• El campo del procesamiento de imágenes digitales se refiere al procesamiento de estas imágenes utilizando un computador digital.



Imagen CCD de una estrella débil obtenidaen una exposición de 10 minutos

[ Ejemplo de imagen digital ]


50 100 150 200 250 300 350

50

100

150

200

250

j

i

76

220 225 230 235

58

60

62

64

66

68

70

72

74

j

i

Tonos de gris

202 201 201 143 118

201 202 190 129 115

202 202 148 120 111

202 163 127 111 107

152 124 113 108 104

x(60,220) x(60, 221)

x(60, 222) x(60,223) x(60,224)

x(61,220) x(61, 221)

x(61, 222) x(61, 223) x(61, 224)

x(62,220) x(62, 221)

x(62, 222) x(62, 223) x(62, 224)

x(63, 220) x(63, 221)

x(63, 222) x(63, 223) x(63, 224)

x(64, 220) x(64, 221)

x(64, 222) x(64, 223) x(64, 224)

202 201 201 143 118

201 202 190 129 115

202 202 148 120 111

202 163 127 111 107

152 124 113 108 104

[ Introducción: Formación de la Imagen Digital ]

Radiografía de una llanta de automóvilde aluminio

ij

x


1 128 256

0

255

[ Introducción: Tonos de gris de la digitalización ]


•Las primeras aplicaciones de las imágenes digitales correspondieron a la prensa.

•Las primeras imágenes se transmitieron por cable submarino entre Londres y Nueva York.

•La introducción del sistema de transmisión por cable Bartlane a comienzos de la década de los años 20, redujo el tiempo de envío de imágenes a través del Atlántico de más de una semana a sólo algunas horas.

•Equipos especializados, desarrollados hace menos de 100 años codificaban la imagen para transmitirla y luego se reconstruian al otro extremo.

[ Orígenes del procesamiento digital de imágenes ]


Ejemplo de imagen transmitidaFotografía transmitida por el sistema de Bartlet,impresa utilizando un teletipo equipado con typos simulando un patrón halftone



• Inicialmente los trabajos para mejorar la calidad visual de las imágenes se concentraron en los métodos de impresión. El método utilizado para obtener la imágen de la lámina anterior se abandonó hacia fines de 1921 y se reemplazó por un método fotográfico. La siguiente imagen fue impresa utilizando esta técnica



• El método original de Bartlane utilizaba sólo 5 niveles de gris. Fue reemplazado en 1929 por uno de 15 niveles. La siguiente imagen no retocada fue impresa según la nueva técnica



•Aunque los ejemplos citados consideran imágenes digitales, el procesamiento no fue digital, ya que no hubo trabajo de un computador.

•La historia del procesamiento digital de imágenes está intimamente ligada al desarrollo de los computadores digitales. En efecto, las imágenes digitales requieren tal cantidad de almacenamiento y potencia computacional que el progreso en el campo ha dependido del desarrollo de los computadores y tecnologías asociadas, incluyendo almacenamiento, display y transmisión.



• La invención del transistor (Bell Laboratories 1948)

• Desarrollo de los dos primeros lenguajes de alto nivel (COBOL y FORTRAN)

• Invención del circuito integrado (Texas Instruments 1958)

• Desarrollo de los sistemas operativos (comienzos de los 60)

• Desarrollo del microprocesador (Intel, comienzos de los 70)

• Introducción del computador personal y miniaturización de los componentes, (Partiendo con escala LSI, a comienzos de los 70, luego VLSI a comienzos de los 80, hasta ULSI en la actualidad.

Los avances que han hecho posible esta capacidad pueden resumirse en los siguientes:



• Los primeros computadores con la potencia suficiente para realizar procesamiento de imágenes significativo aparecieron a comienzos de los años 60.

• Los trabajos iniciales para mejorar imágenes enviadas por sondas espaciales comenzaron en el JPL en Pasadena, California en 1964, cuando las imágenes transmitidas por la sonda Ranger 7 fueron procesadas por computador para reducir distorsiones inherentes a la cámara de televisión de a bordo.

Primera imagen de la luna obtenida por una nave espacial norteamericana (Ranger 7). Obtenida el 31 de Julio de 1964 a las 9:09 A.M. ET, cerca de 17 minutos antes de que la nave impactara en suelo lunar



•En paralelo al desarrollo de las aplicaciones espaciales, las técnicas de procesamiento digital de imágenes, comenzaron también su desarrollo en imágenes médicas, en percepción remota de los recursos de la tierra y en la astronomía.



[ Introducción: Adquisición de Imágenes ]




















[ Introducción: Segmentación ]












[ Introducción: Ejemplo Control de Calidad de Alimentos ]











[ Filetes de buena calidad ]


[ Filete con hematomas ]



Se propone una solución basado en un equipo de análisis automático de imágenes de rayos X instalado sobre la línea de producción. La idea es que los filetes, al igual como lo hacen las maletas en el proceso de inspección en los aeropuertos, ingresen al gabinete blindado y que internamente se realice la inspección visual automática de las imágenes radiográficas.

Fuente Rayos X

Filete

Gabineteblindado

detector

[ Introducción: Ejemplo Inspección de Salmones con Rayos X ]


Fuente Rayos X

Filete

Gabineteblindado

detector

ClasificaciónClasificación

“espinas”

Extracción de Características

Extracción de Características

Área 420

Perímetro 310

Tono gris 180

: :

SegmentaciónSegmentación

PreprocesamientoPreprocesamiento

Formación de Imagen

Formación de Imagen Visión por

Computador

Visión porComputador

[ Introducción: Ejemplo Inspección de Salmones con Rayos X ]


[ Desespinado manual usando alicates ]


[ Pruebas preliminares con rayos X ]







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1. Introducción al procesamiento de imágenes (c) Domingo Mery